石膏围岩隧道衬砌结构破坏模式及时变可靠度模型

石膏围岩具有很强的膨胀性和腐蚀性,在隧道全寿命周期内均会引起衬砌结构自身强度劣化及受力增加,严重影响隧道二次衬砌结构可靠性.针对石膏围岩膨胀特性和腐蚀性对隧道二次衬砌结构的影响分别建立了二次衬砌结构膨胀破坏模式和腐蚀破坏模式;考虑石膏围岩膨胀性和腐蚀性对隧道衬砌结构的综合影响,建立了石膏围岩隧道二次衬砌结构综合破坏模式;基于结构体功能函数,推导出能够初步考虑围岩膨胀性和腐蚀性的隧道衬砌结构可靠度指标计算公式;并分别建立了三种破坏模式下的时变可靠度分析模型.采用石膏围岩隧道衬砌结构综合破坏模式下的时变可靠度模型对礼让隧道进行了分析,得到其在使用寿命100 a内的可靠度指标变化规律.根据计算结果可以优化石膏围岩隧道衬砌结构的抗腐蚀、抗膨胀和支护结构设计参数,并对石膏围岩隧道使用寿命周期内的合理维护及维修提供依据.研究成果可推广应用于隧道衬砌结构的可靠度研究中.     

炭质板岩地层公路隧道结构受力特征及优化

在炭质板岩地层中进行隧道施工会面临软弱围岩大变形、掌子面易失稳等问题,合理的支护结构体系是隧道施工安全和经济的保障。为此,本文依托峨汉高速豹狸岗隧道工程,通过对Ⅳ级围岩段隧道施工过程中围岩压力、围岩-结构间接触压力、支护结构内力等进行监测分析,获得Ⅳ级围岩形变荷载分布规律及结构受力特征,研究表明:初期支护和二次衬砌的安全度较高,但支护材料强度没有得到充分发挥。因此基于支护结构受力有限元分析,对二次衬砌的支护参数进行优化,提出的支护优化方案整体可行,可为类似的工程提供一定的参考价值。     

基于EFAST法的地下洞室静动力稳定参数全局敏感性分析

进行地下洞室静动力稳定参数敏感性的研究,可为地下洞室结构喷锚支护设计提供科学决策依据.本文采用基于全局敏感性分析的EFAST法对地下洞室在静力边界下围岩的应力、变形的参数敏感性进行了分析,并对有限元法与离散元法计算得到的敏感性结果作了对比分析.采用有限元法与块体理论,对块体的稳定性进行了分析,并采用EFAST法研究了块体受围岩岩体参数影响的动力敏感性.结果表明,在静力边界下弹性模量对围岩变形影响的敏感性最大、内摩擦角对洞室最大主应力影响的敏感性最大;对影响块体滑移的岩体参数的动力敏感性分析结果表明,得到的总体全局敏感性较大、一阶全局敏感性较小,表明块体滑移受单一岩体参数变化的影响程度较小,受多种岩体参数的联合作用的影响程度较大.     

加筋锈蚀对氯离子侵蚀海底隧道锚固支护结构影响分析

由于长期氯离子侵蚀及干湿交替环境作用,海底隧道锚固支护结构易于加筋锈蚀,造成支护结构强度的降低.结合某海底隧道Ⅲ级和Ⅳ级围岩锚固支护结构设计,基于前人研究理论及试验成果,采用数值分析软件FLAC3D及有限元强度折减思想,探讨加筋锈蚀对锚固支护结构体系承载作用的劣化影响.研究表明,(1)锚杆锈蚀削弱了锚固支护结构的支护强度;随着加筋锈蚀的增加,隧道加锚围岩的变形逐渐增大;锈蚀对隧道加锚围岩起拱线处的收敛变形影响最明显,Ⅲ级围岩位移锈蚀影响度最大可达56.7%,Ⅳ级围岩位移锈蚀影响度最大可达62.98%.(2)锚杆锈蚀降低了锚固支护结构的锚固作用,锈蚀对锚固注浆体的黏结作用的损失影响比对锚杆应力作用的损失影响大;Ⅲ级围岩锚杆最大应力锈蚀影响度最大为11.6%,锚固注浆体最大剪应力锈蚀影响度最大达18.6%;Ⅳ级围岩锚杆最大应力锈蚀影响度最大为12.3%,锚固注浆体最大剪应力锈蚀影响度最大达20.1%;说明锈蚀对Ⅳ级围岩锚固支护结构影响比Ⅲ级围岩略大.研究结果可为海底隧道锚固支护结构运营风险评估提供一定的数据依据.     

隧道可靠度BFOA逆向寻优方法及其工程应用

为了能够根据预期可靠度要求进行隧道支护参数逆向求解设计,基于软弱围岩失稳变形的极限状态方程与细菌觅食优化算法(BFOA)建立一种隧道可靠度逆向求解方法.实际应用过程中,首先采用概率图法验证围岩基本力学参数的分布特征;然后通过Monte Carlo抽样的方式,根据围岩变形极限状态方程建立隧道可靠度求解模型并以此作为优化算...     

围岩物性参数对小净距隧道稳定性的影响

数值仿真模拟研究的关键是数值模型的建立和围岩物理力学参数的选取。以京福高速公路小净距隧道为例,结合现行规范和有关文献,对Ⅳ级围岩物理力学参数进行了细化和分组,通过数值模拟分析,以研究围岩物性参数对小净距隧道稳定性的影响。所得结论对小净距隧道稳定性分析、施工和支护设计具有指导意义。     

围岩收敛曲线形态对地下结构稳定系数影响分析

针对现代地下支护结构设计方法中缺乏物理意义明确的稳定性表征指标这一不完善之处,结合收敛-约束原理来开展研究.首先,通过选取基于Mohr-Coulomb失效准则的Kastner公式和Duncan公式进行围岩弹塑性分析从而构建围岩收敛曲线;分析各支护单元的力学特性并构建锚喷支护结构支护特征曲线;然后,根据收敛-约束原理和荷载原理导出支护结构的稳定系数,从而建立不同围岩收敛曲线的地下结构稳定性定量评价方法;最后,在各岩体力学参数相似的条件下,通过算例分析不同围岩收敛曲线之间的差异性,展示了不同模式的操作和运行过程.     

深埋三车道大断面隧道二次衬砌厚度优化分析

为了研究合理的二次衬砌支护参数,以陕西省宝鸡到汉中高速公路铁佛殿1号隧道工程为例,通过运用MIDAS软件建立数值计算模型的方法,对Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件下的深埋三车道隧道二次衬砌进行数值模拟分析,并对不同的二次衬砌厚度进行了安全系数计算。结果表明:深埋三车道大断面隧道Ⅳ级围岩二衬厚度优化至设计值75%、Ⅴ级围岩优化至设计值80%时,隧道结构安全系数满足规范要求。可见目前的公路隧道设计规范对于二次衬砌厚度的规定偏于保守,对于一般情况的隧道设计,有必要进一步减薄优化。     

基于HOEK-BROWN软化模型的支护结构稳定性分析

根据HOEK-BROWN强度准则,引入计算岩体峰后地质强度指标及其强度参数的方法,并总结岩体临界软化参数η*的计算方法,分析不同因素对η*的影响。基于锚喷组合支护特征曲线,利用收敛-约束原理分析开挖方法和支护时机对隧道支护结构稳定性的影响。研究结果表明:采用不同开挖方法获得的围岩特征曲线和纵向变形曲线存在差异;与弹塑性模型相比,采用应变软化模型计算得到的支护结构稳定性系数更高;采用台阶法开挖能大大提高隧道支护结构稳定性系数;距离开挖面越远处设置支护可以使其稳定性系数更高,但不利于围岩变形的控制,在实际支护设计中,应综合考虑支护结构稳定性和围岩变形控制这2个因素。     

基于荷载结构法的隧道钢架支护选型研究

依托某一实际工程,基于荷载结构法原理,采用Midasgts有限元软件,比较分析了Ⅳ级软质围岩段隧道格栅钢架(H15 cm×20 cm)和I18工字钢支护的刚度、变形及受力情况,研究了围岩硬度变化对初期支护结构安全性影响.选择合理的钢架支护形式,并将现场监测结果与数值计算结果对比分析,研究结果表明:两者钢架支护结构最小安全系数均出现在拱顶和拱脚位置,变形最大均发生在拱顶位置;I18工字钢支护的承载能力要明显大于格栅钢架;Ⅳ级硬岩地层宜优先选择H15 cm×20 cm格栅钢架,对于Ⅳ级软岩和较软岩宜优先选择I18工字钢.     

三维贯通节理对大跨隧道围岩稳定性的影响

为了探究贯通节理对大跨隧道围岩稳定性影响规律,运用3DEC软件结合离散元强度折减法,以剪切滑移区面积指标为稳定性判据计算大跨隧道围岩安全系数,分析三维状态下节理的走向、倾角、间距、力学参数对围岩稳定性的影响规律。研究结果表明：在大跨隧道围岩中,节理倾向影响稳定性程度由大到小依次为X向、Z向、Y向,仅有单向节理时,ψ>60°时围岩较不稳定;在双向节理组合下,节理倾角致使隧道失稳的经验判别式;节理间距对大跨隧道稳定性的影响程度根据不同块体形状而产生差异,拱顶分布长条形块体时影响最大,洞周分布尖条形块体时影响最小;节理力学参数对大跨隧道稳定性影响程度由大到小依次为内摩擦角、法向刚度、切向刚度、黏聚力;大跨隧道围岩节理倾角由水平到垂直的过程中,围岩变形破坏由拱顶沉降、拱底隆起转变为以拱顶、拱肩大变形及滑移为主。研究结果可为节理岩体中大跨隧道围岩稳定性判定及支护优化提供借鉴。     

水工隧洞支护参数类比设计的模糊概率方法

隧道及地下工程设计中,岩体级别的划分和支护参数的选取受多种不确定性因素影响,不仅具有随机性,也具有模糊性.在节理岩体CSIR分类法和支护参数推荐值的基础上,选择了影响围岩稳定性的主要因素,利用模糊概率理论,建立了某水工隧洞围岩稳定性的模糊概率评估模型,对围岩级别进行了划分,并提出了支护设计参数.模型应用模糊权重的概念,充分考虑了权重的模糊性以避免权重取值的不确定性.算例结果表明:围岩评判级别为Ⅲ级,同时考虑贴近度的作用,对支护体的支护参数进行了设计,取得了较为经济合理的效果.     

隧道工程可靠性基本要素统计分析与建议

通过收集与整理203篇隧道工程科研论文和工程案例,对隧道围岩力学参数、荷载参数和支护构件参数的变异系数和概率分布类型以及功能函数设计表达式进行统计分析,结合各行业隧道设计规范的发展现状,从计算变量与功能函数层面指出了当前隧道工程可靠性分析中存在的不足之处,并提出了具体的对策建议.结果表明:支护构件参数的变异性整体小于围岩力学参数和围岩荷载参数、稳定性条件差的围岩变异性大于稳定性条件好的围岩、支护构件几何参数变异性高于材料参数变异性;整理出4种隧道结构可靠性分析功能函数设计表达式,荷载-结构模式下的功能函数主要为结构强度准则,地层结构模式条件下的功能函数则兼有强度准则与变形准则;得出隧道力学参数变异系数的参考值区间及建议概率分布类型,可指导因地勘工作无法进行或者不够全面的条件下隧道工程可靠性分析中的参数取值.     

Y型支护体系变形特性及结构稳定性研究

针对既有等截面交叉洞室衬砌老旧且为素混凝土结构等问题,开展交叉口的空间支护结构体系研究.根据交叉口空间特征,提出了一种由30工字钢制成的Y型主拱架支护结构.为研究支护体系中钢拱架的变形特征和力学特性,优化支护参数,保证围岩的稳定性,采用荷载-结构法对支护结构进行数值模拟分析.针对结构的薄弱点及30工字钢弯制带来的问题,通过对异型钢拱架与正常钢拱架进行抗弯承载力试验,验证异型钢拱架的力学性能.综合考虑围岩开挖轮廓及支护结构稳定性要求,通过设计搭接斜截拱架的方法,以增加支护体系的整体稳定性,并形成了一种新型的等截面交叉口支护体系.最后结合现场量测数据验证新型钢拱架结构的稳定性.     

基于块体理论的围岩稳定性分析及数值模拟研究

岩体的完整性及节理裂隙的发育程度是影响围岩稳定性的主要因素。潜在失稳块体将引起围岩掉块、剥落、滑移甚至坍方等失稳现象。以小三岔口隧道为依托,基于块体理论研究,借助围岩结构分析和数值模拟相结合的方法,从岩体结构特征入手,定位隧道开挖潜在失稳区域,寻找可动块体,确定关键块体,深入分析围岩失稳变形模式,揭示无支护条件下围岩的变形、受力特征并提出针对性施工建议。研究结果显示:岩体节理裂隙发育、节理面相互切割成不利组合和岩块结构面结合性差是围岩失稳的根本原因;关键块体的运动是造成围岩失稳的直接原因。     

基于Mohr-Coulomb准则隧道围岩-支护体系协同作用下支护强度分析

确定围岩-支护结构体系动态协同变形关系是地下工程支护需要解决的关键问题之一。运用Mohr-Coulomb准则推导隧道开挖支护后围岩径向变形与支护结构径向变形的协同方程,探讨Ⅳ级围岩塑性半径、围岩位移及支护刚度随支护强度的变化关系;并运用FLAC3D数值模拟验证协同变形方程的合理性和有效性。结果表明:（1）围岩-支护结构体系协同变形方程能很好的反映围岩位移和塑性区半径随支护强度变化的关系,且相互关系是非线性的。（2）支护强度为0.75Mpa时,理论计算拱顶沉降为18.9mm、数值模拟拱顶沉降为21.6mm;支护强度为1.5Mpa时,理论计算拱顶沉降为11.2mm、数值模拟拱顶沉降为11.1mm,表明围岩-支护结构动态协同变形方程的有效性。（3）针对Ⅳ级围岩在采用超前支护和CRD工法施工时,建议支护强度设计为0.75-1.5Mpa、支护刚度设计为59.8-375.0KN/mm。     

金山店铁矿工程围岩稳定性的分级模式与识别

作者就金山店铁矿围岩特征，论述了工程围岩稳定性分级指标的选择，用模糊数学方法建立了该矿工程围岩稳定性的分级模式，并提出了其模式识别方法。所得分级结果可为该矿合理选择支护类型和支护参数提供依据。     

隧洞块体破坏过程及稳定评价的数值方法研究

为分析块体在复杂围岩作用下的破坏形态及稳定性,提出一种基于连续介质力学的块体破坏数值分析方法.首先,在已有的单元重构-节点分离的结构面建模方法基础上,实现基于网格的块体识别;其次,基于显式求解的接触力算法,推导多种接触状态下的接触力表达式,并提出块体和围岩的接触分析方法;然后,采用结构面强度折减法求解块体安全系数.该数值分析方法可同时计算围岩和块体的变形特性.通过一个块体沿双面滑动的简单算例也论证了在一定条件下,数值计算可得到与刚体极限平衡法一致的结果;最后,结合某一断层穿过的隧洞工程,分析其开挖后的围岩及块体稳定性.结果表明,该数值方法有效反映了围岩应力和变形对块体稳定性的影响;关键块体发生破坏后,潜在危险块体发生较大变形,局部安全系数低.该数值方法为复杂地质条件下隧洞块体稳定性评价提供了一种有效的分析思路.     

公路隧道Ⅲ级围岩初期支护的可靠性分析

采用有限元法建立模型,分析复杂地质条件的马鞍子梁公路特长隧道。依据岩性和初期支护参数,计算锚杆抗拉力系数、围岩抗压力系数、喷层混凝土受力系数及结构安全系数,结果表明,初期支护的结构可靠度系数为1.19,达到稳定性要求,可获得稳定的整体结构。     

钻地武器作用下坑道动被复结构荷载的计算

为研究坑道动被复结构在钻地武器作用下的荷载变化情况，通过震塌荷载经验公式的计算对比，给出4级围岩在典型钻地武器GBU-28作用下的荷载变化规律。计算结果表明，震塌荷载的变化同坑道动被复段的围岩级别和支护类型有关，支护条件一定时，围岩质量越好其震塌荷载就越小；围岩级别相同时，支护条件越好其震塌荷载就越小。Ⅳ级围岩在24m左右时，不论采用什么支护形式，其震塌荷载都较大，因此Ⅳ级围岩不适宜构筑坑道工程的口部结构，在设计中应予以避免。